一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺的製作方法

2023-06-26 00:10:51

專利名稱：一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於超精密加工和檢測設備技術領域，涉及一種採用磁懸浮技術的光刻機 掩模臺，該掩模臺主要應用於半導體光刻機中。
背景技術：
光刻機技術是微細加工領域應用最多最廣的技術、是集成電路製造領域的核心技 術。光刻機機械結構系統包括工作檯、掩模臺、基座、支架、物鏡及測量系統的安裝平臺、減 振裝置，其中掩模臺的運動速度決定了光刻機的生產效率，掩模臺的定位精度決定了光刻 機的曝光精度，具有六軸高精度定位、大行程直線往返運動的掩模臺是光刻機最重要的部 件之一。掩模臺的基本功能是掩模裝夾、掃描對準精密定位、調平及高度微調、掩模矽片同 步掃描以及協助掩模上下片。為保證光刻機的光刻精度，就要求掩模臺具有極高的運動定 位精度。常規的定位方案採用旋轉伺服電機驅動、精密滾珠絲杆傳動和滑動導軌支撐的 機械剛性接觸方式，這種方式存在摩擦磨損、產生金屬粉塵，並需要潤滑，而且在啟動、加 (減)速、反轉和停車時，中間環節所產生的彈性變形、摩擦、聯結間隙以及反向間隙等，會 造成進給運動的滯後和非線性誤差，各種連接間隙影響了定位精度。直線電機的出現克服 了旋轉電機加絲杆傳動方式的缺點，大大提高了其進給性能，但摩擦所產生的金屬粉塵依 然不利於集成電路晶片的性能和質量的提高。近年來研究的氣浮支撐方式雖然消除了摩 擦，但由於氣浮平臺是利用控制空氣通過氣嘴加速流動，將對導軌產生衝擊力，因而抗衝擊 能力低，同時氣浮平臺僅限於空氣流動相對較小的空間中，外界的空氣流動較大時會對其 運動產生一定的影響，另外氣浮的承載能力低、支撐剛度小，且不適合真空環境下工作也大 大降低了其優勢。而利用磁懸浮技術實現掩模臺的精密運動由於具有上述傳統方法無法比 擬的優勢而在近些年得到了廣泛關注。

發明內容
本發明的目的是提出一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺，可以實現使用旋轉伺 服電機驅動、精密滾珠絲杆傳動和滑動導軌支撐的傳統方案所無法實現超潔淨、高速度、大 行程、精密定位運動等功能。同時具有比氣浮光刻機掩模臺更大的支撐力、更好的承載特 性、更大的懸浮剛度，並且適應真空環境下工作。本發明的技術解決方案如下一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺，主要由精密導軌、基座、懸浮體等組成。導 軌固設在基座上，在懸浮體的豎直方向和沿導軌的水平方向共設有六對電磁鐵，豎直方向 四對，水平方向兩對；懸浮體上設有用於檢測懸浮體各方向運動狀態的渦流位移傳感器，懸 浮體在電磁鐵驅動力、渦流位移傳感器反饋作用下穩定懸浮於導軌的上方；直線電機的定 子沿導軌方向固定在基座上，直線電機的動子固定在懸浮體上，定子與動子之間無機械接 觸，定子與動子間的電磁推力驅動懸浮體沿直線導軌做無接觸的直線定位運動。在導軌的導軌面上設有光柵尺，在懸浮體上設有光柵尺讀數頭，光柵尺及其讀數頭實時測量懸浮體 沿導軌水平方向的位置，用於控制懸浮體的精密定位運動。懸浮體包括直板式的連接件、C形結構的左支板和C形結構的右支板，左支板和右 支板相向通過高強度螺栓緊固連接在連接件的左右兩個側邊上。電磁鐵安裝在C形結構的 支板上，電磁力全部作用於C形支板上，有利於減小懸浮體的變形，連接件和C形支板對稱 設置很多盲孔或通孔、凹槽以減輕懸浮體重量，有利於布線兼顧美觀，通過設置加強筋改變 加強筋數量和厚度提高其剛度。連接件中心設置有正方形方孔以便掩模過程中光學系統透 光。導軌採用五面型結構，既減少精加工表面，又減少重量。在基座設置停放懸浮體的 支柱，其上平面比導軌平面高0. 3mm，可以有效減小導軌因在不工作時承受上懸浮臺重力而 產生大變形。在懸浮體的豎直方向設置的電磁鐵為U型電磁鐵，共4對，水平方向設置的電磁鐵 為E型電磁鐵，共2對。採用這種布局方式有效減小電磁鐵之間的磁場耦合。電磁鐵的鐵 芯採用疊片式矽鋼片結構，以減小磁場渦流損耗。在鐵芯上布置有冷卻管，防止電磁鐵長時 間工作過熱。每一對電磁鐵的勵磁都採用差動控制模式每一個電磁對中的一個電磁鐵以 偏置電流Itj與控制電流i之和勵磁，而另一個電磁鐵則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵 磁。直線電機為2臺，直線電機的定子沿導軌方向固定在基座上，直線電機的動子固 定在懸浮體上，驅動懸浮體沿導軌直線運動。渦流位移傳感器為6個，其中4個渦 流位移傳 感器安裝在懸浮體的上表面上的電磁鐵附近，另外2個渦流位移傳感器安放在懸浮體側面 的電磁鐵附近，用於實時反饋電磁鐵的位移。光柵尺讀數頭和光柵尺均為2套，用於實時反 饋懸浮體沿導軌直線運動的位移。本發明的技術構思如下磁懸浮技術是一種非接觸式、無摩擦的運動定位的典型的機電一體化高新技術。 磁懸浮定位平臺能通過電磁力有效控制，從而消除傳統平臺的摩擦問題，解決氣浮平臺承 載能力低、懸浮剛度小的難題，具有無汙染、噪聲小、易維護、壽命長、速度快、精度高、運動 行程大、平臺剛度和承載能力好等優點。具體的，本發明所述光刻機掩模臺主要由精密導軌、懸浮體、基座、直線電機、電磁 鐵及反饋控制系統等組成。直線電機定子固聯於平臺基座上，直線電機動子與懸浮體固聯 在一起。在懸浮體與其導軌面所對應的地方設有勵磁線圈和位移傳感器，當給電磁鐵線圈 通電時，電磁鐵將產生電磁懸浮力，電磁鐵採用差動控制方式，通過下電磁鐵的電流大於上 電磁鐵中的電流，當電磁合力大於懸浮體的自重時，懸浮體開始懸浮，通過控制勵磁線圈通 電電流而改變電磁懸浮力以及位移傳感器的實時反饋，懸浮體穩定懸浮於導軌上方。此時， 安裝於懸浮體上的直線電機動子與安裝在導軌上的直線電機定子組成的雙直線電機驅動 懸浮體沿導軌方向移動，光柵尺和讀數頭組成的反饋系統可以實現光刻機掩模臺的直線運 動和精確定位。對懸浮體上的五個自由度施加控制力實現穩定懸浮，只保留沿導軌方向移動的自 由度為進給方向。由精密導軌組成的工作平臺具有六個自由度且能實現工作面的逐步調平 調焦。磁懸浮掩模臺中共有六對12塊差動式電磁鐵(其中四對在垂直方向，二對在水平方向)。每對電磁鐵與相應的導軌之間保持一定的間隙。其中，垂直方向的四對電磁鐵與懸浮 體通過螺栓連接，在平臺快速步進時提供整個平臺懸浮所需的磁力，在工作面需調平調焦 時，分別改變四對電磁鐵的通電電流，以改變各電磁鐵的磁力，進而微調各自間隙大小，由 此控制懸浮體沿Z軸的微動和繞X、Y軸的微小轉動，達到精確調平調焦作用。導軌側面兩 對電磁鐵與懸浮體也是通過螺栓連接，在平臺快速步進時提供機構所需要大小恆定的導向 磁力，以保障步進時的運動直線性。同樣，當改變其通電電流則可改變各自間隙大小，以實 現工作平臺水平微位移以及繞Z軸的微小轉動。每一對電磁鐵與導軌的間隙都由一個獨立的渦流位移傳感器實時測定，並將測定 數據轉換為數位訊號來實時反饋控制間隙的大小，即控制懸浮體的位置。貼於導軌面上的 光柵尺以及固聯在懸浮體上的讀數頭所組成反饋系統實時檢測直線電機的運動狀態以控 制電機的實現快速精密直線運動。電磁鐵鐵芯為疊片式矽鋼片結構，導軌及基座選用球墨鑄鐵材料，其中與電磁鐵 相對應的導軌面均採用進行拋光加工並均質處理，以保證微米級的平面度和垂直度，以保 證平臺的高精度懸浮。同時對這些導軌面進行了專門的表面處理以增加硬度和耐磨性。本發明設有專門停放上懸浮臺的支柱，以減小上懸浮臺不工作時因自身重力產生 的對導軌的壓力而引起的大變形。有益效果本發明的採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺採用以下主要技術手段實現本發明的 各項功能在懸浮體與導軌面所對應的地方設有勵磁線圈和渦流位移傳感器，通過勵磁線圈 通電所產生的懸浮力以及渦流位移傳感器和控制器的實時反饋控制，懸浮體穩定懸浮於空 中。此時，安裝於上懸浮體上的直線電機動子與安裝在導軌上的直線電機定子所組成的直 線電機驅動懸浮體沿導軌方向移動。同時，通過光柵尺和讀數頭的實時反饋來實現直線電 機的精密直線運動控制。懸浮體採用兩塊鎂合金C形支板及一塊鋁合金直板式連接件通過高強度螺栓緊 固連接，電磁力全部作用於剛性好的C形支板上，減小懸浮體的變形，連接件和C形支板對 稱設置很多盲孔或通孔、凹槽以減輕懸浮體重量，有利於布線兼顧美觀，通過設置加強筋改 變加強筋數量和厚度提高其剛度。連接件中心設置有正方形方孔以便掩模過程中光學系統 透光。上下(左右)電磁鐵採用差動控制方式，差動工作方式可以產生雙向控制力，改善 平臺剛度。懸浮體四對電磁鐵301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、304B 採用 U 型電磁 鐵，控制它在豎直方向上的懸浮位置，兩對電磁鐵305A、305B、306A、306B採用E型電磁鐵， 控制其水平方向的位置，採用NSSN排列，這種布局方式能夠很好的減小電磁鐵之間的磁場 耦合，如圖5所示。電磁鐵鐵芯採用疊片式矽鋼片結構，如圖4所示，有利於減小磁場渦流損耗。並在 鐵芯上布置冷卻管，防止電磁鐵過熱。在6對差動電磁鐵的附近分別安裝了 6個渦流位移傳 感器311、312、313、314、315、316，其中4個傳感器311、312、313、314用於測量4懸浮體豎直方 向四對電磁鐵相對於導軌面在豎直方向上的位移，以此位移作為控制反饋量，控制上下電磁鐵懸浮力實現懸浮體的調平調焦。其餘2個傳感器315、316用於實時反饋懸浮體水平方向上 兩對電磁鐵相對於導軌側平面的偏移量控制側面電磁鐵電磁力實現懸浮體導向作用。導軌採用五面型結構，如圖3所示，既減少精加工表面，又減少重量，且剛度變化 不大。導軌下表面101A、102A，上表面101B、102B，以及外側面103A、103B進行拋光加工並 均質處理，使表面金屬性能各向同性，以保證懸浮體微米級懸浮精度。在基座設有停放懸浮體的支柱，其上平面比導軌平面高0. 3mm，可以有效減小導軌 因在不工作時承受上懸浮臺重力而產生大變形。貼於導軌面104A、104B上的光柵尺以及固聯在懸浮體上的讀數頭所組成反饋系 統實時檢測直線電機的運動狀態。懸浮體所用6對電磁鐵均採用高功率三電平數字開關功率放大器驅動。通過控制 系統調整功放的輸出電流而達到控制6對電磁鐵相對於導軌的懸浮氣隙的目的，結合合適 的控制算法獲取穩定的懸浮運動和快速精密的直線進給運動。雙直線電機二動子固定於懸浮體，二定子固定於基座。定子採用永磁平面陣列，該 永磁平面陣列由一系列規則排列的永磁體布置而成。當懸浮體實現穩定懸浮後，由兩個直 線電機共同驅動，實現懸浮體沿著導軌平穩直線運動。本發明所述光刻機掩模臺採用磁懸浮技術，無接觸，無摩擦，可在真空環境中運 行，具有如下優點(1)該直線定位運動與傳統絲槓相比，不需要任何轉換裝置而直接產生推力，無機 械接觸，減少零部件損耗，提高了傳動效率、可靠性與壽命。與旋轉電機相比，不產生離心 力，運動速度更高，實現高速的定位運動，且無噪聲。(2)直線電機通過電能直接產生電磁推力，直線電機的定子和動子之間運動無機 械接觸，傳動力是在氣隙中產生的，使傳動零部件無磨損，從而大大減少了機械損耗，增長 了使用壽命，消除了潤滑油和摩擦所產生的粉塵帶來的影響，適合於超潔淨加工。(3)儘管氣浮加工精度也高，由於氣浮利用空氣的作用，不能在真空加工，懸浮體 懸浮剛度、承載能力、抗衝擊抗幹擾能力低，本發明解決了這一難題，具提高了懸浮運動的 魯棒性。(4)採用雙直線電機驅動，大大增加了平臺直線運動過程中的驅動力，加強了平臺 的承載能力，提高了直線運動的加速度，實現移動平臺的平穩運動。(5)本發明的直線運動行程理論上可做到無限長，同時也支持同一導軌上多個懸 浮體並列工作、同時完成多個掩模臺的直線往返運動。另外光柵尺讀數頭的解析度為0. 05 微米、電機定子長度大於1米、最大加速度達到2g。本發明的最終懸浮運動與直線定位運動 都將達到微米級定位精度。本發明所提出的磁懸浮光刻機掩模臺利用電磁吸力、電磁直線驅動使光刻機掩模 臺完成無機械接觸式的往返精密快速直線定位運動，可以實現使用旋轉伺服電機驅動、精 密滾珠絲杆傳動和滑動導軌支撐的傳統方案所無法實現的超潔淨、高速度、大行程、精密定 位運動等功能，具有比氣懸浮光刻機掩模臺更大的懸浮剛度和更好的承載特性


圖1是一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺整體結構圖。
圖2是懸浮體結構圖和電磁鐵分布圖，具體的，圖2a和2b分別是懸浮體結構圖和 電磁鐵分布圖。圖3是基座結構圖。圖4為電磁鐵結構圖，圖a、b分別是U型和E型電磁鐵結構圖。圖5為電磁鐵磁場耦合圖，圖a、b分別是U型和E型電磁鐵磁場耦合圖。圖6是電磁鐵差動控制原理圖。圖中1-花崗巖地基2-精密導軌101A、101B、102A、102B、103A、103B-超精加工的六個導軌表面104A、104B-放置光柵尺的導軌表面111、112-光柵尺121、122-直線電機定子3-懸浮體300-懸浮體左支板與右支板之間的連接件301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、304B-豎直放置的電磁鐵305A、305B、306A、306B-水平放置的電磁鐵307-矽鋼片308-電磁線圈309-壓板310-冷卻管311、312、313、314-豎直放置的渦流位移傳感器315,316-水平放置的渦流位移傳感器321、322-直線電機動子331、332_光柵尺讀數頭341、342_左支板和右支板41-第一功率放大器，42-第二功率放大器，51-上電磁特，52-下電磁鐵，6-渦流位 移傳感器
具體實施例方式以下將結合圖和具體實施過程對本發明做進一步詳細說明。實施例1 光刻機掩模臺整體結構圖如圖1所示，自下到上由花崗巖地基1、五面型 的精密導軌2、懸浮體3三個部分組成。與電磁鐵相對應的導軌面均採用進行拋光加工並 均質處理，使加工導軌表面平面度和垂直度均達到1 μ m。懸浮部件結構如圖2a所示，包括 鎂合金C形的左支板341、右支板342，鋁合金連接件300 (鎂合金、鋁合金這種材料相對於 鑄鐵，密度較小，比強度比剛度大)，12塊電磁鐵301A、301B、302A、302B、303A、303B、304A、 304B、305A、305B、306A、306B(如圖 2b 所示)，6 個渦流位移傳感器 311、312、313、314、315、 316，2個直線電機動子321、322，2個光柵尺讀數頭331、332等。懸浮體中的電磁鐵、左右 支板通過螺栓緊固連接在一起。每對電磁鐵與相應的導軌之間保持一定的間隙。懸浮體豎直方向即Z方向四對差動式結構的電磁鐵301A、30IB、302A、302B、303A、303B、304A、304B採 用U型電磁鐵，提供垂直方向電磁力，以支撐整個懸浮體，並可以通過調節這四對電磁線圈 中的電流大小改變電磁力控制懸浮體的懸浮位置而實現平臺的調平；側面即X方向兩對差 動式結構的電磁鐵3054、3058、306々、3068採用E型電磁鐵，提供水平方向電磁力，以起到Y 方向的運動導向作用。在電磁鐵301B、302B、303B、304B、305B、306B旁邊分別設有渦流位移 傳感器311、312、313、314、313、314實時反饋每對電磁鐵與相應的導軌面之間的間隙，從傳 感器採集到的位移信號轉變為電壓信號，結合合適的控制算法，比如PID控制、模糊控制， 神經網絡控制，調整控制參數，產生輸出電壓，輸入到功率放大器，功率放大器接入48V直 流電源，產生控制電流，控制電流與偏置電流結合流入電磁線圈，實時控制勵磁線圈通電電 流而改變電磁懸浮力大小，使懸浮體穩定懸浮於導軌上方，實現工作面的調平調焦。每個電 磁鐵上繞有600匝電磁線圈，當通過上下電磁線圈偏置電流為4A，側面電磁線圈偏置電流 為2k,懸浮氣隙可以穩定在0. 5mm,懸浮精度達到微米級。渦流傳感器線性度達到0. 002%, 解析度達到0. lnm，量程為2mm。圖3是基座結構圖。底座由花崗巖地基1、精密直線導軌2 和直線電機定子121、122組成。直線電機定子固定在花崗巖地基1上，與安裝於懸浮體上 的直線電機動子組成的雙直線電機驅動懸浮體沿導軌方向快速直線移動。直線電機是旋轉 電機在結構方面的一種演變，可看成將一臺旋轉電機沿徑向剖開，再將電機的圓周展開成 直線擴展而得。直線電機的定子和動子之間運動無機械接觸，直線電機通過電能直接產生 電磁推力需任何中間轉換機構的傳動裝置，傳動力在氣隙中產生。直線電機額定驅動力是 878. 6N，解析度是0. 1 μ m，最大加速度2g，最大速度是700mm/s。採用直線電機驅動懸浮體 沿導軌方向移動，理論上移動距離沒有限制，基於實驗及經濟成本上的考慮，導軌平臺長度 為lm。貼於導軌面104A、104B上的光柵尺111、112與安裝於懸浮體上的光柵尺讀數頭組成 的反饋系統實時反饋懸浮體直線運動位置，從而改變直線電機驅動力的大小實現懸浮體的 沿導軌運動方向的精確定位。圖4a和4b分別是U型和E型電磁鐵結構圖。電磁鐵鐵芯採用疊片式矽鋼片結構， 將兩塊壓板壓緊矽鋼，壓板與矽鋼片用螺栓擠壓緊固，然後將壓板聯接到懸浮體上。有利於 減小磁場渦流損耗，並在鐵芯上布置冷卻管，防止電磁鐵過熱。如圖5a所示，所有電磁鐵均 是U型電磁鐵，儘管採用NSSN排列方式，但上下電磁鐵磁極形成串聯，仍有不少耦合，從圖 5b可以看見，側面採用E型電磁鐵，上下面採用U型電磁鐵，這種U型電磁鐵和E型電磁鐵 的組合使用的方式明顯減小了磁場之間的耦合。電磁鐵差動控制原理圖如圖6所示。一個磁鐵以偏置電流Itj與控制電流i之和 勵磁，而另一個則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵磁。因此平臺所受懸浮力為上下磁鐵 吸力之差，差動工作方式可以產生雙向控制力，增加平臺剛度。
權利要求
一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺，其特徵在於，導軌固設在基座上，在懸浮體的豎直方向和沿導軌的水平方向均設有電磁鐵，懸浮體上設有用於檢測懸浮體各方向運動狀態的渦流位移傳感器；懸浮體在電磁鐵驅動力、渦流位移傳感器反饋作用下穩定懸浮於導軌的上方；直線電機的定子沿導軌方向固定在基座上，直線電機的動子固定在懸浮體上，定子與動子之間無機械接觸；在導軌面上設有光柵尺，在懸浮體上設有光柵尺讀數頭。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮光刻機掩模臺，其特徵在於，懸浮體包括直板式的連 接件、C形結構的左支板和C形結構的右支板，左支板和右支板相向設置在連接件的左右兩 個側邊上。
3.根據權利要求1所述的磁懸浮光刻機掩模臺，其特徵在於，導軌採用五面型結構。
4.根據權利要求1所述的磁懸浮光刻機掩模臺，其特徵在於，在懸浮體豎直方向上設 置的電磁鐵為U型電磁鐵，共4對，在懸浮體水平方向上設置的電磁鐵為E型電磁鐵，共2 對。
5.根據權利要求1所述的磁懸浮光刻機掩模臺，其特徵在於電磁鐵的鐵芯採用疊片 式矽鋼片結構，在鐵芯上布置有冷卻管。
6.根據權利要求2所述磁懸浮光刻機掩模臺的連接件，其特徵在於，連接件和C形支板 設置多個盲孔或通孔、凹槽，連接件中心設置有用於光刻掩模過程中光學系統透光的方孔。
7.根據權利要求4所述磁懸浮光刻機掩模臺的電磁鐵，其特徵在於，每一對電磁鐵的 勵磁都採用差動控制模式每一個電磁對中的一個電磁鐵以偏置電流Itj與控制電流i之和 勵磁，而另一個電磁鐵則以偏置電流Itj與控制電流i之差勵磁。
8.根據權利要求1-7任一項所述的磁懸浮光刻機掩模臺，其特徵在於，採用雙電機驅 動模式，直線電機為2臺，光柵尺及其讀數頭均為2套；渦流位移傳感器為6個，其中4個渦 流位移傳感器安裝在懸浮體的上電磁鐵附近，另外2個渦流位移傳感器安放在懸浮體的側 面電磁鐵附近。
全文摘要
本發明提出一種採用磁懸浮技術的光刻機掩模臺，主要由精密導軌、基座、懸浮體等組成。懸浮體內安裝有電磁鐵，結合渦流位移傳感器，實現懸浮體穩定懸浮在導軌上方；直線電機定子固定在基座上，直線電機動子固定在懸浮體上，導軌面上設有光柵尺，結合安裝在懸浮體上的光柵尺讀數頭，實現懸浮體精密直線定位運動。本發明所提出的磁懸浮光刻機掩模臺利用電磁吸力、電磁直線驅動使光刻機掩模臺完成無機械接觸式的往返精密快速直線定位運動，可以實現使用旋轉伺服電機驅動、精密滾珠絲杆傳動和滑動導軌支撐的傳統方案所無法實現的超潔淨、高速度、大行程、精密定位運動等功能，具有比氣懸浮光刻機掩模臺更大的懸浮剛度和更好的承載特性。
文檔編號G03F7/20GK101900952SQ20101024203
公開日2010年12月1日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者周海波, 段吉安, 郭寧平 申請人:中南大學